Vorrichtung zur Sammlung von Licht

Abstract

 Die Erfindung bezieht sich auf eine Lichtsammelvorrichtung mit einer sog. "Fluoreszenzplatte", die aus einem festen Trägermaterial mit einem Brechungs-index größer 1 besteht, fluoreszierende Partikel enthält und mit mindestens einem Lichtaustrittsfenster versehen ist.
Um bei der Fluoreszenzplatte die störende Selbstabsorption auszuschalten, die durch eine teilweise Überlappung des Emissionsspektrums mit dem Absorptionsspektrum des Fluoreszenzstoffes herrührt, wird folgende Fluoreszenzkörper-Zusammensetzung vorgeschlagen: Die fluoreszierenden Partikel haben ein Dipolmoment mit unterschiedlichen Werten im Grundzustand bzw. im Anregungszustand, und das Trägermaterial besteht aus einem polaren, wasserhaltigen, amorphen Polysilikat bzw. Polyphosphat. Ist der Fluoreszenzstoff eine organische Verbindung, so ist in dem Träger noch ein amphiphiler polarer Zusatz kolloidal gelöst, derart, daß die fluoreszierenden Partikel jeweils von einem der Kolloid-Teilchen umschlossen sind.
Die vorgeschlagene Vorrichtung eigent sich vor allem als Sonnenkollektor, zur optischen Übertragung von Nachrichten oder zur Bildaufhellung von passiven Displays.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Kollektor ist bereits in mehreren Ausführungen bekannt und kann beispielsweise zum Einfangen von Sonnenenergie, (P.W. Mauer und G.T. Turechek, Research Disclosure, 29 (1975) 20, DE-OS 26 20 115 oder A. Götzberger und W. Greubel, Appl. Phys. 14 (1977) 123), zur optischen Übertragung von Nachrichten (Patentanmeldung P 27 42 899), zur Bildaufhellung passiver Displays (DE-OS 25 54 226 oder W. Greubel und G. Baur, Electronik 6 (1977) 55) oder zur Erhöhung der Empfindlichkeit von Szintillatoren (G. Keil, Nucl. Instr. and M_eth. 87 (1970)111) verwendet werden.

[0002] Trifft Licht auf eine Fluoreszenzplatte, so wird der im Anregungsspektrum des Fluoreszenzstoffes liegende Anteil von den Fluoreszenzzentren absorbiert; der übrige Lichtanteil durchsetzt die Fluoreszenzplatte ungestört. Die absorbierte Strahlung wird - zu längeren Wellenlängen hin verschoben und räumlich ungerichtet - reemittiert. Von diesem Fluoreszenzlicht wird der weit überwiegende Teil durch (Total-)Reflexionen an den Plattengrenzflächen im Inneren der Trägerplatte fortgeleitet, bis er an bestimmten Auskoppelbereichen mit erhöhter Intensität austritt.

[0003] Die bisher mit Fluoreszenzplatten erzielten Wirkungsgrade bleiben noch immer deutlich hinter den theoretisch möglichen Werten zurück, und zwar vor allem deshalb, weil das Emissionsspektrum mit dem Absorptionsspektrum überlappt und daher die Fluoreszenzstrahlung der Platte eine endliche Absorptionslänge hat. Besonders unbefriedigend ist dabei, daß sich diese "Selbstabsorption" gerade bei F_luoreszenzkörpern mit großer Sammelfläche besonders ungünstig auswirkt.

[0004] Man weiß bereits seit längerem, daß bei vielen organischen Fluoreszenzstoffen das Emissionsband gegenüber dem Anregungsband zu niedrigeren. Frequenzen hin verschoben wird, wenn diese Farbstoffe in einer Flüssigkeit mit einer starken Orientierungspolarisation gelöst werden. Eine solche Rotverschiebung tritt auf, wenn das fluoreszierende Molekül in seinem Grund- und Anregungszustand verschiedene Dipolmomente hat und wenn sich die Umgebung, die während des Absorptionsprozesses unverändert bleibt, während der Existenz des Anregungszustandes umorientieren kann (E. Lippert, Z. Elektrochem. Ber. Bunsenges. phys. Chem. 61 (1957) 962).. Fluoreszenzkörper sollen jedoch nach Möglichkeit aus einem festen Trägermaterial bestehen. Denn feste Träger kann man, insb. wenn es organische Kunststoffe sind, mit relativ geringem Aufwand herstellen und verarbeiten, ein Vorzug, der insbesondere bei Massenfertigungen stark ins Gewicht fällt.

[0005] Daß auch in Festkörper-Lösungen die erwünschte Bandtrennung von der Dielektrizitätskonstanten des Lösungsmittels abhängt und hierbei die Dipolunterschiede im Grund- und angeregten Zustand eine wichtige Rolle spielen, wird bereits in der zitierten Arbeit von Götzberger und Greubel erwähnt (vergl. den dortigen Abschn. 3.3.)). Weiterführende Untersuchungen der angedeuteten Zusammenhänge, denen sich entnehmen ließe, wie man Kunststoffe mit den erforderlichen Polarisationseigenschaften verwirklichen könnte, stehen allerdings noch aus. Vor allem aber fehlt es an Hinweisen, wie zu verfahren ist, damit die polaren Kunststoffe auch die an Fluoreszenzkörper zu stellenden Forderungen erfüllen. Ein Fluoreszenzkörper muß bekanntlich hochtransparent und thermisch wie fotochemisch stabil sein, sollte sich einfach in beliebige Formen bringen lassen, hat im Endzustand hart und formbeständig zu sein und sollte eine hohe Fluoreszenz-Quantenausbeute haben.

[0006] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Fluoreszenzkörper anzugeben, der im Vergleich zu den bisher entwickelten Versionen eine deutlich geringere Selbstabsorption bei ansonsten ähnlich guten Eigenschaften hat. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebene Vorrichtung gelöst.

[0007] In den vorgeschlagenen Trägersubstanzen, die sich durch eine ungewöhnlich hohe Lichtdurchlässigkeit und durch eine außerordentlich starke Orientierungspolarisation auszeicnnen, lassen sich die Fluoreszenzstoffe relativ beque lösen. Die Einbettung von anorganischen Fluoreszenzstoffen gelingt ohne weiteres. Organische Fluöreszenzstoffe gehen dann in Lösung, wenn man noch eine geringe Menge einer amphiphilen Verbindung zusetzt.

[0008] Amphiphile Moleküle, also Moleküle mit einem hydrophilen (polaren) und einem lipophilen (unpolaren) Ende, assoziieren sich in nur hydrophilen oder nur lipophilen Flüssigkeiten zu charakteristischen, kugelförmigen Haufen, den sog. Mizellen. Die bekanntesten mizellären Lösungen sind wässrige Seifenlösungen, bei denen die einzelnen Seifen-Moleküle mit ihren polaren Endendem Wasser zugewandt·sind und mit ihren unpolaren Enden in das Innere der Mizelle weisen. Eine genauere Darstellung solcher speziellen Kolloid-Lösungen sind in Chem. Rev. 68 (1968) 1 oder in der am gleichen Tage eingereichten Patentanmeldung mit dem Titel n Vorrichtung zur Sammlung von Licht und Herstellungsverfahren für eine solche Vorrichtung" enthalten. Es hat sich herausgestellt, daß amphiphile Substanzen bei Zugabe von Fluoreszenzstoffen spontan die einzelnen Fluoreszenzmoleküle mit einer Hülle umgeben und daß diese Mizellen auch in die erfindungsgemäß vorgesshenen Gläser eingebracht werden können. Es finden sich stets genügend polare Amphiphile, so daß auch bei Hinzunahme solcher Lösungsvermittler die Fluoreszenzzentren in ihrer unmittelbaren Umgebung eine hinreichend hohe Orientierungspolarisation mit ausreichend kurzer Relaxationszeit hervorrufen können. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand zusätzlicher Ansprüche.

[0009] Der Lösungsvorschlag soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur näher erläutert werden.

[0010] Die Figur zeigt in einem etwas schematisierten Seitenschnitt eine erfindungsgemäße Lichtsammelvorrichtung, die als Sonnenkollektor eingesetzt werden kann. Dieser Kollektor enthält im einzelnen eine Fluoreszenz^platte 1, die an drei ihrer vier Schmalseiten jeweils mit einer Reflexionsschicht 2 versehen ist und an ihrer vierten Schmalseite (Lichtaustrittsseite 3) eine Solarzelle 4 trägt. Die der Umgebung ausgesetzten Plattenseiten sind außerdem..mit einem transparenten Schutzfilm 7, beispielsweise einer Lackschicht überzogen. Der Film schützt das wasserlösliche Trägerglas vor der Umgebungsfeuchtigkeit und hindert zugleich das im Fluoreszenzkörper gebundene Glas daran, herauszudiffundieren.

[0011] In der Figur ist der typische Weg eines im Anregungsspektrum der fluoreszierenden Partikel liegenden Sonnenstrahls eingezeichnet: Der mit 5 bezeichnete Strahl wird von einem Fluoreszenzzentrum 6 im Inneren der Fluoreszenzplatte 1 absorbiert, reemittiert und mittels Totalreflexionen an der Grenzfläche der Platte bzw. des Schutzfilms durch die Lichtaustrittsseite 3 auf die Solarzelle 4 geführt.

[0012] Das Trägerglas kann aus einem amorphen Polysilikat oder einem Polyphosphat bestehen. Geeignete Polysilikate sind Natrium- und Kalium-Wassergläser. Bei Verwendung eines Polyphosphats ist das Metall in der Regel ein- oder zweiwertig.

[0013] Der Fluoreszenzfarbstoff kann eine organische oder anorganische Verbindung sein. Geeignete organische Substanzen sind in den bereits eingangs zitierten Literaturstellen angegeben. Ein Beispiel für einen anorganischen Fluoreszenzstoff ist UO₃, das sich beispielsweise in Borsilikatglas einwandfrei lösen läßt.

[0014] Als amphiphiler Zusatz bieten sich die gewöhnlichen Seifen als die bekanntesten Vertreter an. Daneben sind aber auch andere polare Amphiphile denkbar, etwa polymere Seifen wie beispielsweise Polyvinylpyrrolidon oder Polymethacrylsäure und deren Salze. Alle diese Verbindungen sind derart polar, daß sie um die einzelnen Fluoreszenzzentren - im Zusammenwirken mit dem hochpolaren Einbettungsmedium - die erforderliche Orientierungspolarisation schaffen. Ein weiteres,- polares Lösungsmittel für die Fluoreszenzstoffe braucht also nicht hinzugefügt zu werden.

[0015] Es ist darauf hinzuweisen, daß die amphiphilen Zusätze nicht nur lösungsunterstützend wirken sondern vielfach auch noch den Fluoreszenzstoff vor einer Zerstörung durch das teilweise recht aggressive Trägermedium schützen. So würden die meisten organischen Farbstoffe von Wasserglas, dessen pg-Wert bei etwa 14 liegt, ohne die schützende Mizellenhülle rasch zersetzt werden.

[0016] Die Herstellung des vorgeschlagenen Fluoreszenzkörpers erfolgt am günstigsten mit folgender Schrittfolge: Zunächst erzeugt man nach üblichen Verfahren aus den Ausgangsstoffen flüssiges Trägerglas. In diese Masse wird dann der Fluoreszenzstoff- ggf. zusammen mit einem Amphiphil - eingemischt. Verwendet man eine amphiphile Substanz, so dürfen gewisse Temperaturen (ca. um 100°C) nicht überschritten werden, da sonst die Mizellen zerfallen. Die Mischung wird in dünne Schichten gegossen und in bekannter Weise durch Trocknung verfestigt. Zur Herstellung von Polysilikaten bzw. -phosphaten wird auf die einschlägige Literatur verwiesen, beispielsweise auf das "Deutsche Apothekerbuch 6" zur Herstellung von Natrium-Wasserglas.

[0017] Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Insb. kann der Fluareszenzkörper auch anders als plattenartig gestaltet sein, wenn nur dafür gesorgt ist, daß er aufgrund von Totalreflexionen als Lichtfalle wirken kann. Eine Reihe von günstigen Körperformen sind in der Patentanmeldung P 27 24 748 angegeben. Ferner sei darauf hingewiesen, daß der Begriff "Kolloid" im vorliegenden Zusammenhang nicht in seiner engen Definition verwendet wird, die bekanntlich bestimmte Teilchengrößen vorschreibt. Der gewählte Mizellendurchmesser hängt von einer Reihe von Randbedingungen ab und ^muß deutlich kleiner als eine Lichtwellenlänge sein, damit keine Lichtstreuung an den Mizellen erfolgt.

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Sammlung von Licht, mit einem als Lichtfalle wirkenden, vorzugsweise plattenförmig ausgebildeten Körper ("Fluoreszenzkörperⁿ), der aus einem festen Trägermaterial mit einem Brechungsindex größer 1 besteht, fluoreszierende Partikel enthält und mit mindestens einem Lichtaustrittsfenster versehen ist,
dadurch gekennzeichnet , daß die fluoreszierenden Partikel ein Dipolmoment mit unterschiedlichen Werten im Grund- bzw. Anregungszustand haben und daß das Trägermaterial ein polares, wasserhaltiges, amorphes Medium auf Polysilikat-oder Polyphosphat-Basis ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das Polysilikat aus Natrium- oder/und Kalium-Wasserglas besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet , daß das Polyphosphat ein ein- oder zweiwertiges Metall, insb. Natrium oder Kalium hat.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet ,daß in dem Trägermedium ein amphiphiler polarer Zusatz kolloidal gelöst ist, derart, daß die fluoreszierenden Partikel jeweils von_.einem der Kolloid-Teilchen umschlossen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet , daß die fluoreszierenden Partikel aus einer organischen Verbindung bestehen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der amphiphile Zusatz eine Seife ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der Fluoreszenzkörper mit einem transparenten Schutzüberzug versehen ist.

Zeichnung